基于SCA架構(gòu)的軟件無線電數(shù)字系統(tǒng)主板設(shè)計

趙秋明，胡曉鵬

（桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

在現(xiàn)代的信息社會，無線通信無處不在，人們對無線電通信的需要也呈指數(shù)倍增。各種類型的無線通信不斷出現(xiàn)，如數(shù)據(jù)通信、語音通信、圖像通信、廣播通信、應(yīng)急通信等。傳統(tǒng)的無線電通信系統(tǒng)主要使用專用的ASIC硬件芯片來搭建，這種系統(tǒng)不僅不可重構(gòu)，系統(tǒng)升級價格昂貴，而且系統(tǒng)功能單一，無法勝任現(xiàn)今高速發(fā)展的無線通信的要求。隨著嵌入式處理器以及可編程邏輯推廣，一種新的無線電體系——軟件無線電技術(shù)應(yīng)運而生，這種系統(tǒng)可以在一個硬件平臺下整合多種通信系統(tǒng)，通過軟件的方式來配置和切換。本文主要提出一種基于SCA中間件架構(gòu)的軟件無線電系統(tǒng)設(shè)計方案，并詳細介紹其中軟件無線電系統(tǒng)控制主板硬件系統(tǒng)框架和結(jié)構(gòu)。

1 SCA軟件無線電典型框架

圖1為SCA軟件無線電典型框架，系統(tǒng)主要由數(shù)字子系統(tǒng)、A/D和D/A子系統(tǒng)、模擬子系統(tǒng)組成[1]。

數(shù)字子系統(tǒng)是一種由多個處理器或者可編程邏輯芯片組成的分布異構(gòu)系統(tǒng)，包括了一些實際的核心硬件芯片以及運行在其上的軟件集合。這些核心硬件芯片主要包括通用處理器（GPP）、數(shù)字信號處理器（DSP）、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和特殊應(yīng)用集成電路（ASIC）。由于背離軟件無線電的初衷，并且缺乏軟件可配置性和靈活性，ASIC芯片并不推薦使用。操作系統(tǒng)以及核心框架主要是運行在GPP或者DSP上的，而波形文件是一種負責(zé)在異構(gòu)系統(tǒng)中模塊與模塊之間通信的文件，主要由通用性、兼容性良好的接口定義語言（IDL）所描述。

A/D，D/A子系統(tǒng)主要實現(xiàn)軟件無線電中頻信號的處理以及模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換。模擬子系統(tǒng)主要由混頻器、射頻放大器和天線組成，主要實現(xiàn)中頻模擬信號與射頻模擬信號之間的轉(zhuǎn)換、射頻模擬信號的放大以及無線電信號的接收和發(fā)射。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

該軟件無線電系統(tǒng)主要采用獨立于計算機的方案進行設(shè)計，系統(tǒng)并不依賴計算機主機，但預(yù)留有與計算機之間的通信接口。軟件無線電硬件系統(tǒng)主要是由數(shù)字系統(tǒng)主板、中頻A/D和D/A子板、射頻收發(fā)子板這3部分組成。本文只介紹軟件無線電平臺的數(shù)字系統(tǒng)主板的電路設(shè)計方案。

數(shù)字系統(tǒng)主板是整個軟件無線電框架中最核心的部分，它主要完成4個部分功能：1）系統(tǒng)的軟件管理和配置；2）操作系統(tǒng)和軟件無線電核心框架以及波形文件的生成；3）數(shù)字基帶信號的生成和處理；4）實現(xiàn)數(shù)字基帶信號的上變頻與數(shù)字中頻信號的下變頻。

按照以上功能來劃分本系統(tǒng)主要由2個部分組成：1）嵌入式子系統(tǒng)，主要完成上述的前兩項功能；2）FP?GA數(shù)字子系統(tǒng)，主要實現(xiàn)上述后兩項功能。

3 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)對整個軟件無線電系統(tǒng)的管理以及生成軟件無線電的波形文件，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

為了減少系統(tǒng)硬件的復(fù)雜度，同時避免多個異構(gòu)芯片通信所增加的不必要系統(tǒng)開銷，本文主要采用DaVinci平臺的視頻處理器TMS320DM6446作為核心處理器[2]。該芯片是TI公司推出的一款高集成度的SoC視頻嵌入式處理芯片，芯片內(nèi)部包含一個ARM子系統(tǒng)，一個DSP子系統(tǒng)，一個視頻處理子系統(tǒng)（VPSS）以及豐富的外設(shè)接口。其中ARM子系統(tǒng)采用ARM926EJ-S核，主頻可達297 MHz，DSP子系統(tǒng)采用C64+核，主頻可達594 MHz，單位周期指令數(shù)更是高達4 752 MI/s。這款芯片由于集成了帶MMU功能的ARM9內(nèi)核，常用的嵌入式操作系統(tǒng)（如Linux，WinCE，VxWorks）都可以移植到該平臺上，并且ARM和DSP可通過TI提供的Codec Engine實現(xiàn)無縫通信，在具有強大系統(tǒng)管理功能的同時提供高速的數(shù)據(jù)傳輸以及強大的數(shù)字信號處理能力，可以滿足各種苛刻的實時性環(huán)境要求[3]。

按照嵌入式子系統(tǒng)的功能細分，又可將該系統(tǒng)分為存儲器模塊、外設(shè)接口模塊以及嵌入式系統(tǒng)與FPGA數(shù)字系統(tǒng)通信模塊這3部分。

3.1 存儲器模塊

存儲器模塊是軟件管理中的系統(tǒng)信息以及軟件無線電波形文件存儲的硬件載體，包括系統(tǒng)內(nèi)存部分以及大容量Nand Flash存儲器部分。系統(tǒng)內(nèi)存部分采用兩片Micron公司的MT47H64M16HR芯片構(gòu)成32 bit位寬，容量為256Mbyte的DDR2外部隨機存儲器，MT47H64M16HR芯片支持多種CL（CAS Latency）設(shè)置，最高可支持到DDR2-1066標(biāo)準時鐘速率。DM6446只提供8 kbyte的數(shù)據(jù)ROM，用于存儲少量啟動代碼，所以必須外擴大容量的持久性存儲芯片，Nand Flash具有寫和擦寫速度快的特點，而且容量比較大，十分適合作為大容量塊設(shè)備來使用。本文采用三星公司的K9K4G08Q0M芯片，該芯片的容量為512 Mbyte，位寬為8 bit。

3.2 外設(shè)接口模塊

DM6446提供了豐富的外圍設(shè)備接口，可以根據(jù)用戶的需要擴展不同的應(yīng)用。在本設(shè)計中，主要使用了以太網(wǎng)介質(zhì)訪問和數(shù)據(jù)管理輸入/輸出接口（EMAC/MDIO）、異步串口（UART）、音頻串行接口（ASP）、視頻處理后端接口（VPBE）、通用串行總線接口（USB）以及SD/MMC控制接口[4]。

以太網(wǎng)物理層芯片采用Intel公司的LXT971芯片，支持MII和MDIO接口，提供10/100M自適應(yīng)快速以太網(wǎng)標(biāo)準支持。由于DM6446自身集成了硬件的以太網(wǎng)MAC層協(xié)議，所以可以很方便地移植TCP/IP協(xié)議棧，進行各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開發(fā)。

異步串口搭配MAX232芯片進行電平轉(zhuǎn)換，不僅可以應(yīng)用于各種軟件的調(diào)試，而且可以作為與PC通信的接口來使用。音頻串行接口搭配TI公司的立體聲音頻轉(zhuǎn)換芯片PCM3008T，提供16 bit高質(zhì)量的模擬音頻編解碼。在實際設(shè)計的電路中搭配了150 mW的音頻功率放大器TPA6111，可實現(xiàn)高保真的立體聲音頻輸出。

由于DM6446帶有完整的圖像處理子系統(tǒng)（VPSS），所以可以用其中的VPBE部分搭建VGA視頻標(biāo)準協(xié)議來傳輸數(shù)字圖像信息。傳輸數(shù)字圖像的基本原理是將視頻數(shù)據(jù)流通過VPFE轉(zhuǎn)換成模擬信號，通過VPBE模塊將模擬信號分離出紅、綠、藍3種基色信號，分別輸送給VGA接口，再由FPGA提供高頻的場同步和行同步信號，從而實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)流在顯示設(shè)備上顯示。

USB接口和SD/MMC接口可用來擴展移動式存儲介質(zhì)，比如U盤和SD卡，另外也可以作為無線網(wǎng)卡的接口來使用，從而實現(xiàn)無線局域網(wǎng)（WLAN）應(yīng)用。

3.3 嵌入式系統(tǒng)與FPGA數(shù)字系統(tǒng)通信模塊

軟件無線電的一個重要難點是要如何解決高效的，在各種分布式異構(gòu)平臺和器件之間傳輸波形文件，所以嵌入式系統(tǒng)與FPGA數(shù)字系統(tǒng)通信模塊的任務(wù)主要是解決DSP和FPGA這兩個異構(gòu)器件之間通信的問題。

TI公司的EMIF接口協(xié)議可以很好地解決這個問題。EMIF可以支持最大128 Mbyte的尋址空間，工作時鐘速率高達100 MHz，提供8/16 bit的并行數(shù)據(jù)接口。本文在FPGA端利用邏輯資源建立ASRAM寄存器組，并利用DM6446的EMIF接口把FPGA作為一個外部存儲器來使用。這樣就可以在FPGA和DSP之間建立高速通信通道，傳送一些數(shù)據(jù)量較大的通信數(shù)據(jù)。

TI公司提供了另一種高效的串行通信接口VLYNQ，它占用管腳數(shù)少，支持8/10 bit編碼，工作在全雙工模式下，總線時鐘最高可達到125 MHz。利用Xilinx公司提供的VLYNQ的IP核，可以很方便地與DM6446建立通信鏈路，傳送一些數(shù)據(jù)量較小的控制信令。

4 FPGA數(shù)字系統(tǒng)

FPGA數(shù)字系統(tǒng)主要完成3個部分工作：1）負責(zé)接收從嵌入式子系統(tǒng)中傳輸過來的數(shù)據(jù)以及控制信令，并把傳送過來的數(shù)據(jù)封裝成幀，生成數(shù)字基帶信號波形。2）根據(jù)接收到的控制信令，對數(shù)字基帶信號進行編碼以及調(diào)制，實現(xiàn)對數(shù)字基帶信號的數(shù)字上變頻，并通過接口將上變頻后的數(shù)字信號傳送給中頻A/D，D/A子板進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。3）接收從中頻A/D，D/A子板經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換的中頻數(shù)字信號，對中頻數(shù)字信號的載波和符號進行提取，從而實現(xiàn)對中頻數(shù)字信號的數(shù)字下變頻、解調(diào)以及解碼，還原原始基帶信號波形。

FPGA數(shù)字系統(tǒng)采用了Xilinx公司最新的Spartan-6系列FPGA。該系列產(chǎn)品具有許多過去系列不可比擬的優(yōu)點。Spartan-6系列FPGA采用低功耗的45 nm工藝技術(shù)。每個可編程邏輯塊（CLB）中的邏輯片（Slice）都由先進、高效、雙寄存器的6-輸入查找表（LUT）的邏輯結(jié)構(gòu)組成，使得整體系統(tǒng)性能得到全面提高。芯片內(nèi)置低功耗的250 MHz的DSP48A1 Slice和18×18 bit的乘法器，可以實現(xiàn)高速DSP應(yīng)用。芯片擁有多條時鐘管理管道，均包含2個DCM和1個PLL，并支持1 000 MHz的時鐘技術(shù)[5]。

FPGA數(shù)字系統(tǒng)框圖如圖3所示，整個系統(tǒng)主要由編程配置和外圍接口這兩部分構(gòu)成。對FPGA的編程配置主要通過編程選通電路來完成。

編程選通電路通過CS3與EMIF_A12這2個管腳取值來判決是否利用EMIF接口對FPGA進行重新配置。在對FPGA進行配置的同時也會自動配置SPI接口的Flash芯片W25Q64VSFIG，使得該系統(tǒng)具有掉電非易失的特性。外圍接口部分除了包括外擴通用I/O接口、按鍵以及LED指示燈和JTAG編程接口以外，還預(yù)留了一個高速的FMC夾層卡接口[6]。該接口具有良好的抗電磁干擾特性，數(shù)據(jù)管腳可自由組合成最多68個獨立的單端LVCMOS或者34對差分LVDS，差分LVDS的最高傳輸速率可達到10 Gbit/s。這個接口既可直接用于與下級子板通信，也可用于外擴其他功能子板，十分靈活。另外為了系統(tǒng)調(diào)試的方便，從FM接口的68個數(shù)據(jù)管腳中又引出20個管腳作為與中頻A/D，D/A子板通信的通用插針DIP20接口。

5 小結(jié)

本文主要介紹了一種新型的SCA軟件無線電數(shù)字系統(tǒng)主板的硬件結(jié)構(gòu)與框架。該設(shè)計獨立于PC自成一個系統(tǒng)，充分利用DaVinci嵌入式技術(shù)以及新型的FPGA技術(shù)來構(gòu)建一個可移植主流操作系統(tǒng)，功能強大，具有較強靈活性的數(shù)字平臺。目前該平臺已制作成印制電路板，經(jīng)過電路的調(diào)試以及軟件的編程測試，證實上述方案是可行的。

[1]BARD J，KOVARIK V J.Software defined radio—the software com?munications architecture[M].[S.l.]：John Wiley&Sons Ltd，2007.

[2] 張起貴，張勝，張剛.最新DSP技術(shù)——“達芬奇”系統(tǒng)、框架和組件[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[3] 王艷艷，郅晨，張俊業(yè).基于嵌入式Linux的DM6446編碼器的設(shè)計[J].電視技術(shù)，2010，34（3）：17-20.

[4] 葉志龍.基于TMS320DM6446的嵌入式視頻系統(tǒng)設(shè)計[D].太原：太原理工大學(xué)，2007.

[5] 何賓.Xilinx可編程邏輯器件設(shè)計——技術(shù)詳解[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[6] 孫航.Xilinx可編程邏輯器件應(yīng)用與系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.